清華新聞網(wǎng)9月24日電 傳統(tǒng)微型飛行器通常使用撲翼、旋翼或噴氣的主動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式作為飛行動(dòng)力，需要較大的能量供給，主動(dòng)驅(qū)動(dòng)組件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，小型化難度大、難以長(zhǎng)續(xù)航。風(fēng)傳種子歷經(jīng)演化，可在無(wú)主動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的情況下，被動(dòng)地隨風(fēng)飛行幾公里甚至更遠(yuǎn)。
清華大學(xué)張一慧課題組與美國(guó)西北大學(xué)約翰?羅杰斯（John A. Rogers）、黃永剛課題組、伊利諾伊大學(xué)香檳分校萊昂納多·查莫羅（Leonardo P. Chamorro）課題組合作，以風(fēng)傳種子為靈感，設(shè)計(jì)了一種屈曲力學(xué)組裝的三維微電子飛行器，實(shí)現(xiàn)了微電子器件被動(dòng)、長(zhǎng)時(shí)間、遠(yuǎn)距離飛行。
課題組采用2015年合作提出的屈曲力學(xué)引導(dǎo)的三維組裝，將二維前驅(qū)體結(jié)構(gòu)選擇地粘接在預(yù)拉伸基底，釋放預(yù)應(yīng)變實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的壓縮屈曲，完成二維到三維構(gòu)型的轉(zhuǎn)變。通過(guò)有限元模擬設(shè)計(jì)一系列精巧的三維飛行器結(jié)構(gòu)（圖1），解決了結(jié)構(gòu)重量問(wèn)題。通過(guò)流體力學(xué)模擬了二維結(jié)構(gòu)下落中的翻轉(zhuǎn)、顫動(dòng)過(guò)程以及風(fēng)傳種子三維結(jié)構(gòu)在下落過(guò)程中的穩(wěn)定性，建立了流固耦合理論模型，揭示了旋落過(guò)程的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)時(shí)間滯空。
圖1.三維飛行器結(jié)構(gòu)的引導(dǎo)屈曲組裝過(guò)程與大規(guī)模多尺度制備
基于理論研究與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用有限元模擬電子系統(tǒng)的組裝過(guò)程。在飛行結(jié)構(gòu)上集成微電子器件，包含天線(xiàn)、微控制芯片和紫外傳感器。高空釋放后，可對(duì)空氣污染物長(zhǎng)時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。集成不同芯片，有望實(shí)現(xiàn)城市傳染病病原體分布監(jiān)測(cè)等。其可成為未來(lái)飛行器“物聯(lián)網(wǎng)”節(jié)點(diǎn)，助力疫情監(jiān)測(cè)與防控（圖2）。
圖2.三維微飛行器結(jié)構(gòu)及空氣污染物檢測(cè)演示
研究成果于9月22日在《自然》（Nature）期刊以長(zhǎng)文形式發(fā)表，題目《受風(fēng)傳種子啟發(fā)的三維電子微型飛行器》（Three-dimensional electronic microfliers inspired by wind-dispersed seeds），為同期的封面文章（圖3）。
圖3.相關(guān)工作被選為《自然》期刊的封面文章
清華大學(xué)張一慧教授、美國(guó)西北大學(xué)約翰?羅杰斯院士、美國(guó)伊利諾伊大學(xué)香檳分校萊昂納多·查莫羅副教授和美國(guó)西北大學(xué)黃永剛院士為該文章的共同通訊作者。韓國(guó)崇實(shí)大學(xué)助理教授金奉勛（Bong Hoon Kim）、劍橋大學(xué)博士后厲侃（清華大學(xué)錢(qián)學(xué)森力學(xué)班畢業(yè)）、美國(guó)西北大學(xué)博士后金鎮(zhèn)泰（Jin-Tae Kim）和樸尹錫（Yoon seok Park）為文章的共同第一作者。清華大學(xué)張一慧組博士后宋洪烈參與了此項(xiàng)研究，為本文的共同作者之一。該研究成果得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委原創(chuàng)探索計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03847-y
供稿：航天航空學(xué)院
編輯：李華山
審核：曲田
